CN104503090A - 棱镜扩束系统 - Google Patents

Abstract

一种棱镜扩束系统，其特点在于：该扩束系统由2个以上结构相同的直角棱镜构成，入射光束从所述的直角棱镜的斜面入射，称为入射斜面，出射光束垂直于同一直角棱镜的直角面，称为出射直角面，所有直角棱镜的顶角α相同且满足下列公式：，式中，n1、n2分别为激光在入射介质和直角棱镜中的折射率。本发明可以实现任意的扩束倍数，而不受直角棱镜原材料大小的限制。具有耗材少、成本低的优点。相同规格的直角棱镜利于批量化生产，可以显著减少加工的周期和成本。

Description

棱镜扩束系统

技术领域

本发明涉及平行光的扩束，特别是一种棱镜扩束系统。主要用于平行光的扩束，如准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。本发明的优点是，可以使激光达到任意的扩束倍数，而不受直角棱镜原材料大小的限制。另外还具有成本低的优点。

背景技术

光刻用的窄线宽准分子激光器一般使用棱镜扩束系统与中阶梯光栅组合进行线宽压窄。棱镜扩束系统的作用是实现对激光水平方向的扩束。由于光刻机的线宽与扩束倍数成反比关系，因此为了得到窄的线宽，技术人员通过多个棱镜组合的方式追求尽量大的扩束倍数。在先技术中[US5978409，CN101581866B等]一般都使用三个或者四个棱镜实现20～30倍的扩束倍数。这些棱镜的尺寸随光的扩束传输依次增大，扩束系统末端的大棱镜尺寸一般都在100mm以上。本技术领域中，棱镜的材料一般选用紫外高透的融石英或者氟化钙光学材料制成，但是大尺寸的光学材料制造困难，产量有限，因此价格非常昂贵。另外，在先技术中使用多个不同规格的直角棱镜，抛光时须设计不同的加工夹具，加工周期和成本都比较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种棱镜扩束系统。该棱镜扩束系统可以使用低成本、小尺寸直角棱镜组合获得高扩束倍数，克服在先技术依赖大尺寸棱镜，价格高昂的不足。本发明棱镜扩束系统主要用于平行光的扩束，如准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。特点是可以使激光达到任意的扩束倍数，而不受棱镜原材料大小的限制。另外还具有耗材少、成本低的优点。相同规格的直角棱镜利于批量化生产，可以显著减少加工的周期和成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种棱镜扩束系统，其特点在于：该扩束系统由2个以上结构相同的直角棱镜构成，入射光束从所述的直角棱镜的斜面入射，称为入射斜面，出射光束垂直于同一直角棱镜的直角面，称为出射直角面，所有直角棱镜的顶角α相同且满足下列公式：

$\mathrm{\α}=\arcsin (\frac{n1}{n2}\×\sin \mathrm{\θ}1)$

式中，n1、n2分别为激光在入射介质和直角棱镜中的折射率。

所述的直角棱镜分组，每个分组的直角棱镜的斜面首尾相连成直线排列。

所述直角棱镜的入射斜面和出射直角面抛光，而另一个直角面不抛光。

所述直角棱镜的入射斜面和出射直角面镀有入射激光波长的增透膜。

所述直角棱镜对激光的透过率大于50％。

所述的直角棱镜由直角棱镜切割成的直角梯形棱镜替代。

本发明的技术效果如下：

本发明棱镜扩束系统。主要用在准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。本发明专利的优点是，通过增加直角棱镜的数量可以使激光达到任意的扩束倍数，而不受棱镜原材料大小的限制。另外还具有耗材少、成本低的优点。相同规格的直角棱镜利于批量化生产，可以显著减少加工的周期和成本。

附图说明

图1为本发明棱镜扩束系统实施例1的示意图

图2为本发明棱镜扩束系统实施例2示意图

图3为本发明实施例3直角梯形棱镜扩束系统示意图

图中：

r1—入射光束；r2—出射光束；i1—直角棱镜的斜面；i2、i3—直角棱镜的直角面；P1—第一分组；P2—第二分组；P3—第三分组；P4—第四分组；E1—第一直角梯形棱镜；E2—第二直角梯形棱镜

具体实施方式

首先阐述本发明中所用直角棱镜的设计方法，主要说明棱镜顶角的确定方法。要光束垂直于棱镜的直角面出射，则该直角棱镜的顶角可以通过光束入射角计算得知。请参阅图1，图1为本发明棱镜扩束系统实施例1的示意图。

根据光折射定律：

n1×sinθ1＝n2×sinθ2  (1)其中，θ1、θ2分别为入射角和折射角，n1、n2为常数，分别表示空气和棱镜对激光的折射率。

而对于垂直出射的情况，折射角与棱镜的顶角α相同。

θ2＝α  (2)

所以棱镜的顶角由下式计算：

$\mathrm{\α}=\arcsin (\frac{n1}{n2}\×\sin \mathrm{\θ}1)---\left(3\right)$

单个直角棱镜的扩束倍数为：

$M=\frac{\cos \mathrm{\θ}2}{\cos \mathrm{\θ}1}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}1}---\left(4\right)$

接下来说明本发明棱镜扩束系统的工作原理。

图1为本发明棱镜扩束系统实施例1的示意图，由4个相同规格的直角棱镜组成。所有棱镜的斜面首尾相连，沿X方向排列成直线。入射光束r1从直角棱镜的斜面i1入射，出射光束r2垂直于直角面i2。所有直角棱镜的顶角α相同，入射角θ1相同，折射角θ2相同。

实例中直角棱镜选用紫外融石英材料(n2＝1.56，n1＝1.00)，入射角θ1为72度时，根据(3)、(4)式可得顶角α为37.56度，可以达到2.565的扩束倍数。直角棱镜的规格为

A＝50.00mm，B＝39.64mm，C＝30.48mm，H＝30mm   (5)其中A、B、C分别为直角棱镜的斜边和两个直角边长，H为直角棱镜厚度。

由图1中可以看到，本棱镜扩束系统可以实现对光束的扩束。

下面说明本发明公开的方案相对于在先技术降低成本的原因。

本实例中用到4个结构完全相同的直角棱镜。每个直角棱镜的体积为V_i，则棱镜扩束系统共需紫外融石英的净体积为：

$\mathrm{Va}=\left(V_i\right)\×4=(\frac{B\×C}{2}\×H)\×4---\left(6\right)$

在先技术(如US5978409等)中，可以使用一块大的直角棱镜实现与本实例中相同的扩束倍数。但是所需紫外融石英的净体积为：

$\mathrm{Vb}=\frac{(4\×B)\×(4\×C)}{2}\×H---\left(7\right)$

二者的体积比 $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{Va}}{\mathrm{Vb}}=1/4---\left(8\right)$

也就是说，在达到相同的扩束倍数的前提下，本发明中公开的技术方案耗用的材料只有在先技术的1/4。大大节省了扩束器的材料成本。对于扩束倍数越大，本发明中技术方案的成本优势越明显。另外，对于在先技术中使用不同规格的直角棱镜，必然会涉及到不同的加工夹具。本例中多个相同规格的小尺寸直角棱镜组合使用，可以显著降低加工的周期和成本。

下面说明利用本发明棱镜扩束系统实现43倍以上激光扩束。本发明实施例2，如图2所示。

图2中用了7个完全相同的直角棱镜实现激光扩束，所有直角棱镜的顶角、三边尺寸、高度等规格均与(5)式中的尺寸相同。其中分为4个分组。第一分组P1包括一个直角棱镜，第二分组P2包括一个直角棱镜，第三分组P3包括两个直角棱镜，第四分组P4包括三个直角棱镜。

四个分组的入射角度都相同，均为72度。如前所述，单个直角棱镜实现的扩束倍数为M_i＝2.565倍，则四个分组总的扩束倍数为M＝(M_i)⁴＝(2.565)⁴＝43.29倍。

如果需要设计更大倍数的扩束系统，只需要按本发明中的技术方案增加分组中直角棱镜的个数。扩束系统后端的子系统不受限于棱镜材料的尺寸。要实现任意倍数的扩束倍数，只需在本发明的技术方案基础上，入射光束或出射光束处添加既定口径的光阑即可实现，在此不再赘述。

基于本发明的技术方案和直角棱镜设计方法，加以改进，可以设计出外观不局限于直角棱镜的光学扩束系统，也应包含在本发明的保护范围之内。下面举例说明。

本发明实施例3，图3中使用4个结构相同的直角梯形棱镜实现光学扩束。该直角梯形棱镜由图1中说明的直角棱镜沿出射光束r2方向截掉顶角加工而成。所有直角梯形镜的斜面首尾相连，沿同一方向排列。其优点是可以把相邻的直角梯形镜的相邻面，如图3中第一直角梯形镜E1的底面和第二直角梯形镜E2的顶面，用胶水粘连，使扩束系统具有更好的稳定性。

Claims (6)

1.一种棱镜扩束系统，其特征在于：该扩束系统由2个以上结构相同的直角棱镜构成，入射光束(r1)从所述的直角棱镜的斜面(i1)入射，称为入射斜面，出射光束(r2)垂直于同一直角棱镜的直角面(i2)，称为出射直角面，所有直角棱镜的顶角α相同且满足下列公式：

$\mathrm{\α}=\arcsin (\frac{n1}{n2}\×\sin \mathrm{\θ}1)$

式中，n1、n2分别为激光在入射介质和直角棱镜中的折射率。

2.根据权利要求1所述的棱镜扩束系统，其特征在于所述的直角棱镜分组，每个分组的直角棱镜的斜面首尾相连成直线排列。

3.根据权利要求1所述的棱镜扩束系统，其特征在于所述的直角棱镜的入射斜面和出射直角面抛光，而另一个直角面不抛光。

4.根据权利要求1所述的棱镜扩束系统，其特征在于所述直角棱镜的入射斜面和出射直角面镀有入射激光波长的增透膜。

5.根据权利要求1所述的棱镜扩束系统，其特征在于所述直角棱镜对激光的透过率大于50％。

6.根据权利要求1至5任一项所述的棱镜扩束系统，其特征在于所述的直角棱镜由直角棱镜切割成的直角梯形棱镜替代。